GLIKOLIZĖ: FUNKCIJOS, FERMENTAI, FAZĖS, PRODUKTAI, SVARBA - BIOLOGIJA - 2025

Glikolizės arba glikolizės yra pagrindinis būdas gliukozės katabolizmo, kurio pagrindinis tikslas yra generuoti energiją į į ATP forma ir sumažinti galią į NADH forma, iš šio angliavandenių.

Šis kelias, kurį 1930-aisiais visiškai išaiškino Gustavas Embdenas ir Otto Meyerhofas, tirdamas gliukozės sunaudojimą skeleto raumenų ląstelėse, susideda iš visiško šio monosacharido oksidacijos ir pats savaime reiškia anaerobinį kelią energijos gavimas.

ATP, vieno iš glikolitinių produktų, molekulinė struktūra (Glikolitinio kelio santrauka (Šaltinis: „Tekks“ anglų kalbos Vikipedijoje / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) per „Wikimedia Commons“) „Wikimedia Commons“)

Tai yra vienas iš pagrindinių metabolizmo būdų, nes jis, atsižvelgiant į jo skirtumus, vyksta visuose gyvuose organizmuose, egzistuojančiuose vienaląsčiuose ar daugialąsčiuose, prokariotiniuose ar eukariotiniuose, ir manoma, kad tai yra reakcijų grandinė, evoliuciškai labai išsaugota gamtoje.

Tiesą sakant, yra keletas organizmų ir ląstelių rūšių, kurių išgyvenimas priklauso tik nuo šio būdo.

Pirmiausia, glikolizę sudaro gliukozės, susidedančios iš 6 anglies atomų, oksidacija į piruvatą, kuriame yra trys anglies atomai; kartu gaminant ATP ir NADH, naudingi ląstelėms metaboliniu ir sintetiniu požiūriu.

Ląstelėse, galinčiose toliau perdirbti produktus, gautus iš gliukozės katabolizmo, glikolizė pasibaigia anglies dioksido ir vandens susidarymu Krebso cikle ir elektronų pernešimo grandinėje (aerobinė glikolizė).

Glikolitiniu keliu vyksta dešimt fermentinių reakcijų ir, nors šių reakcijų reguliavimas gali būti šiek tiek skirtingas kiekvienai rūšiai, reguliavimo mechanizmai taip pat yra gana konservuoti.

Glikolizės funkcijos

Metabolizmo požiūriu gliukozė yra vienas iš svarbiausių angliavandenių visiems gyviesiems dalykams.

Tai stabili ir labai tirpi molekulė, todėl gana lengvai gali būti gabenama per visą gyvūno ar augalo kūną, iš kur ji laikoma ir (arba) gaunama ten, kur reikia kaip ląstelinis kuras.

Gliukozės struktūra (Šaltinis: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) per „Wikimedia Commons“)

Cheminę energiją, esančią gliukozėje, gyvos ląstelės išnaudoja per glikolizę, kuri susideda iš labai kontroliuojamų etapų, kuriais energija, išsiskirianti iš šio angliavandenio oksidacijos, gali būti „sugaunama“ į labiau naudojamas energijos formas. , taigi, jo svarba.

Šiuo keliu gaunama ne tik energija (ATP) ir redukuojamoji galia (NADH), bet ji taip pat suteikia keletą metabolinių tarpininkų, kurie yra kitų maršrutų dalis, taip pat svarbūs iš anabolinių (biosintetinių) ir bendras ląstelių funkcionavimas. Štai sąrašas:

- Gliukozės 6-fosfatas pentozės fosfato keliui (PPP)

- Piruvatas pieno rūgimui

- Piruvatas aminorūgščių (daugiausia alanino) sintezei

- Piruvatas trikarboksirūgšties ciklui

- Fruktozės 6-fosfatas, gliukozės 6-fosfatas ir dihidroksiacetono fosfatas, kurie veikia kaip „statybiniai blokai“ kitais būdais, tokiais kaip glikogeno, riebalų rūgščių, trigliceridų, nukleotidų, aminorūgščių sintezė.

Energijos gamyba

Glikolitiniu keliu pagaminto ATP kiekis, kai ląstelė, kuri ją gamina, negali gyventi aerobinėmis sąlygomis, yra pakankamas ląstelės energijos poreikiams patenkinti, kai ji yra sujungta su įvairių rūšių fermentacijos procesais.

Tačiau, kai kalbama apie aerobines ląsteles, glikolizė taip pat yra avarinis energijos šaltinis ir yra „parengiamasis žingsnis“ prieš oksidacines fosforilinimo reakcijas, kurios apibūdina ląsteles, kurių aerobinis metabolizmas vyksta.

Fermentai, dalyvaujantys glikolizėje

Glikolizė įmanoma tik dėl 10 fermentų, kurie katalizuoja šį kelią apibūdinančias reakcijas, dalyvavimo. Daugelis šių fermentų yra allosteriniai ir keičia savo formą ar struktūrą, kai atlieka katalizines funkcijas.

Yra fermentų, kurie skaido ir sudaro kovalentinius ryšius tarp savo substratų, ir yra kitų, kuriems, norint atlikti savo funkcijas, reikia specialių kofaktorių, daugiausia metalų jonų.

Struktūriškai visi glikolitiniai fermentai turi centrą, sudarytą iš lygiagrečių β lakštų, apsuptų α spiralėmis ir išdėstytų daugiau nei vienoje srityje. Be to, šie fermentai pasižymi tuo, kad jų aktyviosios vietos paprastai yra jungimosi vietose tarp domenų.

Taip pat svarbu pažymėti, kad pagrindinis kelio reguliavimas vyksta kontroliuojant (hormonų ar metabolitų) fermentų, tokių kaip heksokinazė, fosfofruktokinazė, glicerraldehido 3-fosfato dehidrogenazė ir piruvato kinazė, veiklą.

Pagrindiniai glikolitinio kelio reguliavimo taškai (Šaltinis: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) per „Wikimedia Commons“)

1- heksokinazė (HK)

Pirmąją glikolizės (gliukozės fosforilinimo) reakciją katalizuoja heksokinazė (HK), kurios veikimo mechanizmas, atrodo, susideda iš substrato, „sukelto priveržimo“, skatinančio fermento „užsiblokavimą“ aplink ATP ir gliukozės (jos substratų), kai tik ji su jomis susijungia.

Priklausomai nuo svarstomo organizmo, gali būti vienas ar daugiau izofermentų, kurių molekulinė masė svyruoja nuo 50 (apie 500 aminorūgščių) iki 100 kDa, nes jie atrodo sujungti dimerais, kurių susidarymą skatina gliukozė, magnio jonai. ir ATP.

Heksokinazė turi tretinę struktūrą, sudarytą iš atvirų alfa ir beta lakštų, nors šiuose fermentuose yra daug struktūrinių skirtumų.

2-fosfogliukozės izomerazė (SGN)

Gliukozė, fosforilinta heksokinazės, yra izomerizuojama į 6-fosfato fruktozę per fosfogliukozės izomerazę (SGN), dar vadinamą gliukozės 6-fosfato izomeraze. Taigi fermentas nepašalina ir neprideda atomų, bet pertvarko juos struktūriniu lygiu.

Tai yra aktyvus fermentas, turintis savo dimerinę formą (monomeras sveria daugiau ar mažiau 66 kDa) ir dalyvauja ne tik glikolizėje, bet ir gliukoneogenezėje, augalų angliavandenių sintezėje ir kt.

3-fosfofruktokinazė (PFK)

Fruktozės 6-fosfatas yra fosfofruktokinazės fermento substratas, galintis pakartotinai fosforilinti šią molekulę, naudodamas ATP kaip fosforilo grupės donorą, gamindamas fruktozės 1,6-bisfosfatą.

Šis fermentas egzistuoja bakterijose ir žinduoliuose kaip homotetramerinis fermentas (sudarytas iš keturių vienodų 33 kDa subvienetų kiekvienai bakterijai ir 85 kDa kiekvienos žinduoliams), o mielėse - oktameras (sudarytas iš didesnių subvienetų, tarp 112 ir 118 kDa).

Tai allosterinis fermentas, kuris reiškia, kad jį teigiamai arba neigiamai reguliuoja kai kurie jo produktai (ADP) ir kitos molekulės, tokios kaip ATP ir citratas.

4- Aldolasse

Taip pat žinomas kaip fruktozės 1,6-bisfosfato aldolazė, aldolazė katalizuoja fruktozės 1,6-bisfosfato skaidymą į dihidroksiacetono fosfato ir glicerraldehido 3-fosfatą ir atvirkštinę reakciją, tai yra, abiejų cukrų sąveiką formuojant fruktozės 1,6-bisfosfatas.

Kitaip tariant, šis fermentas dešinę pusę perpjauna fruktozės 1,6-bisfosfatą, išskirdamas du fosforilintus 3 anglies junginius. Aldolase taip pat sudaro 4 identiški subvienetai, kurių kiekvienas turi savo aktyviąją vietą.

Nustatyta dviejų šio fermento klasių (I ir II) buvimas, kurios skiriasi pagal jų katalizuojamos reakcijos mechanizmą, nes kai kurios (pirmosios) atsiranda bakterijose ir „apatiniuose“ eukariotuose, o kitos ( antra) yra bakterijose, protistuose ir metazoanuose.

„Aukštesnę“ eukariotinę aldolazę sudaro 40 kDa molekulinio svorio subvienetų homotetrameras, kurių kiekviena susideda iš statinės, sudarytos iš 8 β / α lakštų.

5-triose fosfato izomerazė (TIM)

Dvi fosforilintos triozės gali būti tarpusavyje pakeistos dėl triozės-fosfato izomerazės veikimo, kuris leidžia naudoti abu cukrus glikolizės metu, užtikrinant visišką kiekvienos į kelią patenkančios gliukozės molekulės naudojimą.

Šis fermentas buvo apibūdintas kaip „puikus“ fermentas, nes jis aprašytą reakciją katalizuoja maždaug trilijoną kartų greičiau, nei ji įvyktų be jūsų dalyvavimo. Jo aktyvioji vieta yra beta statinės struktūros centre, būdinga daugeliui glikolitinių fermentų.

Tai yra dimerinis baltymas, sudarytas iš dviejų vienodų maždaug 27 kDa subvienetų, kurie abu turi rutulinę struktūrą.

6- glicerraldehido 3-fosfato dehidrogenazė (GAPDH)

Glicerraldehido 3-fosfatas, gaunamas veikiant aldolazei ir triozės fosfato izomerazei, yra GAPDH substratas, kuris yra homotetramerinis fermentas (kiekviename subvienete 34–38 kDa), kuris bendradarbiaujant jungiasi su kiekvienos NAD + molekulės kiekvienoje iš jų. iš 4 jo aktyvių vietų, taip pat 2 fosfato arba sulfato jonai.

Šiame proceso etape fermentas leidžia fosforilinti vieną iš jo substratų, naudodamas neorganinį fosfatą kaip fosforilo grupės donorą, kartu sumažinant dvi NAD + molekules ir gaminant 1,3-bisfosfogliceridą.

7- fosfoglicerinato kinazė (PGK)

Fosfoglicerinato kinazė yra atsakinga už vienos iš 1,3-bisfosfoglicerato fosfato grupių perkėlimą į ADP molekulę fosforilinant substrato lygyje. Šis fermentas naudoja mechanizmą, panašų į tą, kurį naudoja heksokinazė, nes jis užsikemša kontaktuodamas su savo substratais, apsaugodamas juos nuo trukdančių vandens molekulių.

Šis fermentas, kaip ir kiti, kurie naudoja du ar daugiau substratų, turi ADP surišimo vietą, o kitas - cukraus fosfato.

Skirtingai nuo kitų aprašytų fermentų, šis baltymas yra 44 kDa monomeras, turintis bilobinę struktūrą, sudarytas iš dviejų tokio paties dydžio domenų, sujungtų siauru „plyšiu“.

8- Fosfoglicerinato mutazė

3-fosfogliceratas keičiasi iš fosfato grupės į anglies 2 molekulės viduryje, tai yra strateginio nestabilumo vieta, palengvinanti tolesnį grupės perkėlimą į ATP molekulę paskutinėje kelio reakcijoje.

Šį pertvarkymą katalizuoja fermentas fosfogliceridų mutazė, dimerinis fermentas žmonėms ir tetramerikas mielėms, kurio subvienetų dydis yra artimas 27 kDa.

9- enolazė

Enolazė katalizuoja 2-fosfoglicerido dehidrataciją iki fosfoenolpiruvato, būtiną ATP susidarymui kitoje reakcijoje.

Tai dimerinis fermentas, sudarytas iš dviejų vienodų 45 kDa subvienetų. Tai priklauso nuo magnio jonų jo stabilumo ir konformacijos pokyčių, reikalingų prisijungti prie jo substrato. Tai yra vienas iš fermentų, gausiausiai ekspresuojamų daugelio organizmų citozolyje, be glikolitinių funkcijų.

10- piruvato kinazė

Antrąjį substrato lygio fosforilinimą, kuris vyksta glikolizėje, katalizuoja piruvato kinazė, atsakinga už fosforilo grupės perkėlimą iš fosfoenolpiruvato į ADP ir už piruvato gamybą.

Šis fermentas yra sudėtingesnis nei bet kuris kitas glikolitinis fermentas, o žinduoliuose jis yra homotetramerinis fermentas (57 kDa / subvienetas). Stuburiniuose gyvūnuose yra mažiausiai 4 izofermentai: L (kepenyse), R (eritrocituose), M1 (raumenyse ir smegenyse) ir M2 (vaisiaus ir suaugusiųjų audiniuose).

Glikolizės fazės (žingsnis po žingsnio)

Glikolitinis kelias susideda iš dešimties nuoseklių etapų ir prasideda nuo vienos gliukozės molekulės. Proceso metu gliukozės molekulė „aktyvinama“ arba „paruošiama“ pridedant du fosfatus, atbuline eiga dvi ATP molekules.

Vėliau jis „supjaustomas“ į du fragmentus ir galiausiai porą kartų chemiškai modifikuojamas, susintetinant keturias ATP molekules taip, kad grynasis maršruto padidėjimas atitiktų dvi ATP molekules.

Iš to, kas pasakyta, galima daryti išvadą, kad maršrutas yra padalintas į energijos „investavimo“ fazę, būtiną visiškam gliukozės molekulės oksidacijai, ir kitą energijos „padidėjimo“ fazę, kur iš pradžių naudojama energija pakeičiama ir gaunamos dvi. grynosios ATP molekulės.

- Investicijos į energiją etapas

1- Pirmąjį glikolitinio kelio žingsnį sudaro heksokinazės (HK) tarpinamos gliukozės fosforilinimas, kuriai fermentas naudoja po vieną ATP molekulę kiekvienai fosforilintos gliukozės molekulei. Tai yra negrįžtama reakcija ir priklauso nuo magnio jonų (Mg2 +):

Gliukozė + ATP → Gliukozė 6-fosfatas + ADP

2- Taip gautas gliukozės 6-fosfatas yra izomerizuotas į fruktozės 6-fosfatą dėl fermento fosfogliukozės izomerazės (SGN) veikimo. Tai yra grįžtamoji reakcija, nereikalaujanti papildomų energijos išlaidų:

Gliukozės 6-fosfatas → Fruktozės 6-fosfatas

3 - Kitas energijos inversijos etapas apima fruktozės 6-fosfato fosforilinimą, kad susidarytų fruktozės 1,6-bisfosfatas. Šią reakciją katalizuoja fermentas fosfofruktokinazė-1 (PFK-1). Kaip ir pirmasis žingsnis kelyje, fosfato grupės donoro molekulė yra ATP, ir tai taip pat yra negrįžtama reakcija.

Fruktozės 6-fosfatas + ATP → Fruktozės 1,6-bisfosfatas + ADP

4- Šiame glikolizės etape kataliziškai suskaidomas fruktozės 1,6-bisfosfatas į dihidroksiacetono fosfatą (DHAP), ketozę, ir glicerraldehido 3-fosfatą (GAP), aldozę. Šį aldolio kondensaciją katalizuoja fermento aldolazė ir tai yra grįžtamasis procesas.

Fruktozės 1,6-bisfosfatas → Dihidroksiacetono fosfatas + glicerraldehido 3-fosfatas

5- Paskutinę energijos inversijos fazės reakciją sudaro triose esančio fosfato DHAP ir GAP, katalizuojamo fermento triose-fosfato izomerazės (TIM), virsmas - tai faktas, kuriam nereikia papildomos energijos, ir tai yra grįžtamasis procesas.

Dihidroksiacetono fosfatas ↔ Glicerraldehido 3-fosfatas

- energijos padidėjimo fazė

6- Glicerraldehido 3-fosfatas yra naudojamas „pasroviui“ glikolitiniame kelyje kaip oksidacijos ir fosforilinimo reakcijos substratas, katalizuojamas to paties fermento, glicerraldehido 3-fosfato dehidrogenazės (GAPDH).

Fermentas katalizuoja molekulės C1 anglies oksidaciją į karboksirūgštį ir fosforilinimą toje pačioje padėtyje, gaudamas 1,3-bisfosgliceridą. Reakcijos metu kiekvienai gliukozės molekulei redukuojamos 2 NAD + molekulės ir naudojamos 2 neorganinio fosfato molekulės.

2Glicerraldehido 3-fosfatas + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfogliceratas) + 2NADH + 2H

Aerobiniuose organizmuose kiekvienas tokiu būdu pagamintas NADH praeina per elektronų pernešimo grandinę ir yra 6 ATP molekulių sintezės substratas oksidacinio fosforilinimo būdu.

7- Tai yra pirmasis ATP sintezės etapas glikolizėje ir apima fosfoglicerinato kinazės (PGK) veikimą 1,3-bisfosfoglicerinui, pernešant fosforilo grupę (substrato lygio fosforilinimas) iš šios molekulės į molekulę. iš ADP, gaunant 2ATP ir 2 molekules 3-fosfoglicerido (3PG) kiekvienai gliukozės molekulei.

2 (1,3-bisfosfogliceratas) + 2ADP → 2 (3-fosfogliceratas) + 2ATP

8- 3-fosfogliceratas tarnauja kaip fermento fosfogliceridų mutazės (PGM) substratas, kuris jį paverčia 2-fosfoglicerinu perkeldamas fosforilo grupę iš 3 anglies į anglį 2 per dviejų pakopų reakciją, kuri yra grįžtama ir priklauso nuo magnio jonai (Mg + 2).

2 (3-fosfogliceratas) → 2 (2-fosfogliceratas)

9 - Enolazės fermentas dehidratuoja 2-fosfogliceridą ir gamina fosfoenolpiruvatu (PEP) per tokią reakciją, kuri nereikalauja papildomos energijos pridėjimo ir kurios tikslas yra gaminti aukštos energijos junginį, galintį paaukoti savo fosforilo grupę toliau reakcija.

2 (2-fosfogliceratas) → 2 fosfoenolpiruvatas

10- fosfoenolpiruvatas yra fermento piruvato kinazės (PYK) substratas, atsakingas už šios molekulės fosforilo grupės perkėlimą į ADP molekulę, tokiu būdu katalizuodamas kitą fosforilinimo reakciją substrato lygyje.

Reakcijos metu kiekvienoje gliukozėje susidaro 2ATP ir 2 piruvato molekulės, todėl jonų pavidalu reikia kalio ir magnio.

2Fosfenolpiruvatas + 2ADP → 2Pyruvate + 2ATP

Glikolizės išeiga tokiu būdu susideda iš 2ATP ir 2NAD + kiekvienai gliukozės molekulei, patenkančiai į kelią.

Jei tai ląstelės, kurių metabolizmas yra aerobinis, tada bendras gliukozės molekulės skilimas sukuria nuo 30 iki 32 ATP per Krebso ciklą ir elektronų pernešimo grandinę.

Glikolizės produktai

Bendroji glikolizės reakcija yra tokia:

Gliukozė + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Todėl, jei jis trumpai išanalizuotas, galima įsitikinti, kad pagrindiniai glikolitinio kelio produktai yra piruvatas, ATP, NADH ir H.

Tačiau kiekvieno tarpinio reakcijos tarpininko metabolinis likimas didžiąja dalimi priklauso nuo ląstelių poreikių, todėl visi tarpiniai produktai gali būti laikomi reakcijos produktais ir gali būti išvardyti taip:

- Gliukozės 6-fosfatas

- Fruktozės 6-fosfatas

- Fruktozės 1,6-bisfosfatas

- dihidroksiacetono fosfatas ir glicerraldehido 3-fosfatas

- 1,3-bisfosfogliceratas

- 3-fosfogliceratas ir 2-fosfogliceratas

- Fosfenolpiruvatas ir piruvatas

Svarba

Nepaisant to, kad glikolizė savaime (galima kalbėti apie anaerobinę glikolizę) sukuria tik apie 5% ATP, kurią galima pašalinti iš aerobinio gliukozės katabolizmo, šis metabolizmo būdas yra būtinas dėl kelių priežasčių:

- Tai yra „greitas“ energijos šaltinis, ypač tais atvejais, kai gyvūnas turi greitai išeiti iš ramybės būsenos, kuriai aerobinės oksidacijos procesai nebūtų pakankamai greiti.

- Žmogaus kūne esančios „baltosios“ skeleto raumenų skaidulos, pavyzdžiui, yra greitai susitraukiančios skaidulos ir veikia nuo anaerobinės glikolizės.

- Kai dėl tam tikrų priežasčių ląstelei reikia apsieiti be savo mitochondrijų (kurios yra organelės, be kita ko, atliekančios oksidacinį fosforilinimą daliai glikolitinių produktų), ląstelė tampa labiau priklausoma nuo energijos, gautos glikolitinis kelias.

- Daugelis ląstelių priklauso nuo gliukozės kaip energijos šaltinio per glikolitikus, tarp jų išsiskiria raudonieji kraujo kūneliai , kuriuose nėra vidinių organelių, ir akies ląstelės (ypač ragenos), kurios neturi didelio mitochondrijų tankio.

Nuorodos

1. Canback, B., Andersson, SGE ir Kurland, CG (2002). Pasaulinė glikolitinių fermentų filogenija. Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biochemija, glikolizė. . In: StatPearls. Lobių sala (FL): „StatPearls“ leidyba; 2020 sausis-. Galima įsigyti iš: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, ir Michels, PA (1993). Glikolizės raida. Biofizikos ir molekulinės biologijos pažanga, 59 (2), 105–235.
4. Kim, JW ir Dang, CV (2005). Daugialypiai glikolitinių fermentų vaidmenys. Biocheminių mokslų tendencijos, 30 (3), 142–150.
5. Kumari, A. (2017). Saldi biochemija: „Mnemonikos“ struktūrų, ciklų ir kelių atsiminimas. Akademinė spauda.
6. Li, XB, Gu, JD ir Zhou, QH (2015). Aerobinės glikolizės ir jos pagrindinių fermentų apžvalga - nauji plaučių vėžio terapijos tikslai. Krūtinės ląstos vėžys, 6 (1), 17–24.